황해 태안반도 남서부 해양퇴적물의 지음향 특성

1. 서 론

황해는 삼면이 육지로 둘러싸여 있고 약 30만 km² 면적의 대륙붕에 연간 약 15억 톤에 이르는 많은 육성기원 퇴적물이 유입되는 천해퇴적환경을 가지고 있다(Schubel et al.[1984]). 황해에 공급되는 퇴적물의 상당부분을 차지하는 중국 기원 퇴적물은 해수 순환을 따라 중국 연안, 황해 중앙 니질대 또는 제주도 남서쪽 북동중국해 니질대에 퇴적되는 것으로 연구되었다(Milliman et al.[1986]; Lee and Chough[1989]; Alexander et al.[1991]; Park and Khim[1992]; Cho et al.[1999]; Youn et al.[2005]; Yang and Liu[2007]; Yang and Youn[2007]; Choi et al.[2010]). 그러나 황해 중동부 연안역은 황해 중앙부로 북상하는 황해 난류와 연안역에 발달한 조석전선 등의 영향으로 중국기원 물질의 유입이 제한되어 한반도의 한강, 금강 등에서 유입된 퇴적물이 우세하게 분포하고 있다(Chough and Kim[1981]; Lee and Chough[1989]; Park and Khim[1990]). 연구지역인 황해 중동부 연안역의 퇴적물 기원과 발달양상, 그리고 퇴적환경에 관한 연구는 기존에 많이 수행되었다(Kim and Park[1985]; Yoo[1986]; Choi et al.[1992]; Lee et al.[1992]; Cho et al.[1993]; Choi and Park[1993]; Min et al.[1993]; Park et al.[1994]; Oh and Kum[2001]; Chough et al.[2002]; Park et al.[2006]). Park et al.[2006]은 고해상도 탄성파 탐사를 통해 황해 중동부 해역에 발달한 Sand Ridge의 발달기원을 밝혔으며, Chough et al.[2002]는 황해 중부부터 중동부 해역까지 해저면의 echo type을 구분하고 연구지역의 echo type이 강한 조류와 파랑에 의해 발달된 것임을 밝혔다. Lee et al.[1992]과 Cho et al.[1993]은 표층 퇴적물의 지구화학적 특성을 통하여 니질 퇴적물의 분포 양상 및 기원을 연구하였고 Park et al.[1994]은 주상 시추 시료를 통해 퇴적물의 퇴적상을 분석하였다. 이를 통해 황해 중동부 연안역 니질 퇴적물이 금강 기원 현생 니질 퇴적물이며 사질 퇴적물은 잔류 사질퇴적물임을 밝혔다.

퇴적학적 연구에 비해 황해지역에서 퇴적물의 물리적 및 지음향학적 특성에 관한 연구는 많이 부족한 실정이다. Kim et al.[2000]과 Bae[2015]의 연구는 흑산머드벨트(Hueksan Mud Belt: HMB)에 국한되어 있으며 잔류사질퇴적물에 대한 연구는 이루어진 바가 없다. 또한 Ryang et al.[2001]의 연구는 실제로 측정한 자료가 아니라 입도 분석을 통해 나온 입도 자료를 Hamilton[1979], [1980]과 Hamilton and Bachman[1982]이 제시한 경험식을 이용하여 물성과 음향특성을 제시하였고 연구지역에서 한 개의 시추코어 자료만을 이용하였기 때문에 연구지역 전체를 대표 할 수 없다. 비록 Chon[1997]에 의해 남해의 잔류사질퇴적물의 지음향 특성 연구가 수행된 바 있지만 황해 지역에서는 사질퇴적물의 지음향 특성 연구가 전무하다.

따라서 본 연구에서는 황해 태안반도 남서부 해역 해양퇴적물에 대한 물리적 성질 및 음파전달속도의 수직적인 분포양상을 밝히고자 한다. 또한 연구지역의 물성과 음향특성간의 상관관계를 밝히고 본 연구지역과 유사한 퇴적환경을 가지는 남해 sand ridge의 연구결과(Chon[1997])와 비교를 통해 새로운 관계식을 제시하고자 한다.

2. 재료 및 방법

2.1 연구지역

연구지역은 황해 중동부 금강유역의 북부에 위치하며 외연도 서부지역과 금강하구 서쪽에 위치한 십이동파도의 북동부를 포함한다. 또한 리아스식 해안이며 해안 주변에 삽시도, 호도, 녹도, 어청도등 많은 섬들이 존재하고 사퇴(sand ridge) 및 수로(channel)가 형성되어 있다. 금강유역 북부는 연안에서 40 km떨어진 외연도까지 평균 20 m로 얕은 수심을 보이다 외연도를 기점으로 서쪽으로 갈수록 수심이 급격이 증가한다(Fig. 1).

Fig. 1.

Map showing bathymetry and piston core position of the study area.

연구지역 퇴적물의 주요 공급원인 금강은 연간 5.0×10⁹ ton의 담수를 방류하는데 이중 80%가 하계(6-9월)에 집중되고 동계(11-2월)에는 유입이 적으며 담수를 통해 유입되는 퇴적물의 65%는 금강하구에 발달한 대죽사주에 퇴적된다(Schubel et al.[1984]). 이 대죽사주는 금강 본류를 북수로와 남수로로 양분하며 대죽사주에 퇴적되지 않은 나머지 퇴적물은 조석, 조류 및 해류의 영향으로 북수로와 남수로를 통해 연구지역을 포함한 인근 해역으로 이동한다(Chough and Kim[1981]; Park and Choi[1989]; Choi[1993]).

연구지역은 조석작용이 우세한 대조차환경에 속하며 지역마다 조류가 다르게 나타난다. 연구지역을 포함한 황해 동부 연안의 조류는 북동-남서 방향이며 세기는 최대 1.5 m/s로 강하게 흐른다(Hydrographic office[1990]). 금강하구의 남수로 지역 또한 북동-남서 방향으로 조류가 흐르며 동계동안 북서계절풍의 영향으로 재 부유된 퇴적물은 조류와 황해 동부 연안을 따라 남하하는 서해연안류의 영향으로 남쪽으로 이동한다(Park and Choi[1989]). 북수로의 조류는 일반적인 조류와 다르게 북서-남동방향으로 흐르는 경향을 보이는데(Kwon et al.[2011]), 북수로를 통해 공급되는 퇴적물은 조류의 영향으로 연구지역까지 이동하여 퇴적된다.

2.2 연구방법

연구지역 퇴적물의 물리적 및 음향학적 특성 연구를 위하여 2014년 9월 한국지질자원연구원의 탐사선 탐해2호를 이용하여 총 8개의 지점에서 주상시료를 획득하였다(Fig. 1, Table 1).

Table 1.

Location of the coring sites, water depth, and core length for this study

채취된 코어시료는 실험실로 옮긴 후 각각의 퇴적물 특성에 대한 분석을 실시하였다. 코어를 실험실에서 반으로 절개해 평균입도, 물리적 성질(공극률, 함수율, 전밀도, 전단응력) 및 음향학적 특성(음파전달속도 및 감쇠)을 측정하였다. 각 코어의 측정 간격은 퇴적상 및 퇴적구조 변화 양상에 따라 조절하였으며 보통 10~30 cm 이내에서 측정하였다.

퇴적물의 입도분석은 퇴적물의 탄산염, 유기물과 용해성 염분을 제거하고 4 Φ(0.062 mm) 체로 조립부와 세립부로 나누었다. 조립질은 로탭요동기(Ro-tap Sieve Shaker)를 사용하여 1 Φ 간격으로 분석하고 세립질은 퇴적물입도 자동측정기(Model: Sedigraph 5100)를 사용하여 분석하였다. 각 Φ별로 나온 자료들은 Folk and Ward[1957] 및 Folk[1968]의 모멘트 방법에 따라 입도 및 크기별 함량을 계산하였다. 퇴적물의 물리적 성질(공극률, 함수율, 전밀도)은 밀도측정기(Micromeritics: Multivolume Pycnometer 1305)를 이용하여 입도분석용 시료채취 위치와 같은 깊이에서 측정하였다. 밀도측정기에는 퇴적물의 공극이나 틈에 침투가 잘되는 헬륨가스를 사용하였고 자료의 일관성을 위해 가스의 압력은 21 psi로 일정하게 유지하였다. 염분 보정은 35‰에 대한 해수의 밀도 1.0245를 보정하였다(Boyce[1976]). 전단응력은 직경과 높이가 1.27×1.27 cm 크기의 vane이 장착된 자동전단응력 측정 장치를 이용하여 측정하였다. 퇴적물의 음향학적 특성은 신호투과법을 기초로 하는 자동속도측정장치(Kim et al.[1999])를 사용하여 측정하였다(Fig. 2). 측정 시 퇴적물의 크기를 3 cm 이내로 성형한 후 중심주파수가 1 MHz인 트랜스듀서를 퇴적물에 직접 접촉시켜 수직과 수평속도를 각각 측정하였다. 일반적으로 시료를 통과하는 초음파의 파장과 통과거리의 비(λ/L)가 1보다 작아야 하므로 1MHz의 주파수를 사용하며(Kolsky[1953]) 본 연구방법과 같이 3 cm 이내로 성형한 경우에도 펄스의 파장이 퇴적물을 구성하는 최대 크기의 입자보다도 훨씬 크기 때문에 정확도는 유지될 수 있다(Kim[1989]). 음파감쇠는 Toksoz et al.[1979]의 spectral ratio 방법을 이용하여 측정하였다. 속도 측정 시 일정한 실험실 온도(약 20 °C)를 유지하여 온도 차이에 의한 측정 오차를 최소화 하였다.

Fig. 2.

Schematic diagram of automated velocity measurement technique.

3. 결 과

3.1 입도, 음향특성 및 물리적 성질의 수평·수직 분포

연구지역에서 획득한 8개의 정점에서 채취한 코어퇴적물에 대해 퇴적물의 조직, 물리적 성질 및 음파전달속도를 일정한 깊이(10~30 cm)에 따라 측정하여 각각의 코어에 대해 평균값으로 표시하여 Table 2에 제시하였다. 코어 상부의 분석 자료를 이용하여 연구지역의 퇴적물 조직함량, 물성 및 지음향 특성의 수평적 분포를 파악하였다(Fig. 3). 또한 이 중 수심에 따른 퇴적물 유형과 위치가 서로 다른 네 개 정점(정점 3, 7, 9, 11)에 대한 퇴적물 조직함량, 물성 및 지음향 특성 단면도를 작성하였다(Figs. 4, 5, 6, 7, and 8).

Table 2.

Average values of mean grain size, physical and geoacousitc properties for the cores in the study area

Fig. 3.

Horizontal distribution of sand content (%) (a), mean grain size (Φ) (b). velocity (m/s) (c), porosity (%) (d) in the study area.

Fig. 5.

Profiles of physical (bulk density, porosity, water content, shear strength, mean grain size, and texture) and geoacoustic properties (sound velocity and attenuation) for core P03.

연구지역의 퇴적물 조직함량, 물성 및 지음향 특성의 수평적 분포를 살펴보면, 외연도를 중심으로 북쪽에서 남쪽으로 갈수록 사질함량이 40.3~98.7%로 증가하여 조직함량이 조립해지는 것을 확인할 수 있다(Fig. 3a). 이에 따라 평균입도분포는 북에서 남으로 갈수록 6.0에서 2.8 Φ로 증가하며(Fig. 3b) 음파전달속도 또한 1560에서 1700 m/s로 증가한다(Fig. 3c). 이와 반대로 공극률은 54.7에서 27.9%로 감소하는 경향을 보인다(Fig. 3d).

코어의 수직적 물성 및 지음향 특성 변화를 살펴보면, 정점 3은 전체적으로 사질 퇴적물이 균질하게 분포하고 있으며 하부 100 cm 부터 자갈 퇴적물이 존재한다(Fig. 4). 공극률은 31.3~37.7%(평균 35.7%)의 값을 나타낸다(Fig. 5). 함수율은 15.7~18.3%(평균17.7%)로 전체적으로 낮은 값을 가진다. 전밀도는 2.12~2.26 g/cm³(평균 2.18 g/cm³)의 값을 가지며 전단응력은 5 cm의 깊이에서 19.75 kPa의 값을 보인다. 평균입도는 1.7~2.8 Φ(평균 2.5 Φ)로 조립한 경향을 보인다. 역질 함량은 1.4~14.5%(평균 7.9%)로 100 cm 깊이 이하에서 나타나며 사질함량은 82.8~98.7%(평균94.6%)이다. 실트 및 점토함량은 0.9~6.2%(평균 2.1%), 0.2~1.9%(평균 0.6%)로 함량이 낮다. 음파전달속도 및 감쇠는 퇴적물이 조립하여 측정이 거의 불가능하며 실트 및 점토함량이 비교적 높은 98 cm 부근에서 1752 m/s의 값을 보인다.

Fig. 4.

Vertical description of cores in the study area.

정점 7은 전체적으로 사질 퇴적물과 니질 퇴적물이 혼재되어 있다(Fig. 4). 공극률은 36.6~55.5%(평균 45.0%)로 상부 50 cm까지 평균 45.2%로 상대적으로 낮은 값을 보이다가 퇴적상이 변하는 70 cm 부근에 52.4%로 급증한다(Fig. 6). 그 이하부터 270 cm까지 평균 41.7%의 값을 가지며 270 cm부터 점진적으로 증가하여 490 cm에서 최대 55.5%의 값을 가진다. 함수율은 19.8~34.0%(평균 25.3%)이며 공극률과 비슷한 경향을 보여 70, 490 cm부근에 29.4, 34.0%의 값을 나타낸다. 전밀도는 1.73~2.04 g/cm³(평균 1.89 g/cm³)을 나타내며 그 값이 들쭉날쭉하나 점진적으로 감소하는 경향을 보이며 전단응력은 0.42~15.08 kPa(평균 4.82 kPa)이다. 평균입도는 3.6~7.2 Φ(평균 4.5 Φ)로 상부 0~50 cm까지 3.6~4.1 Φ, 70~150 cm까지 4.4~5.6 Φ로 비교적 세립하며, 170~270 cm까지 3.6~3.7 Φ를, 270 cm이하부터 4.3~7.2 Φ의 값이 나타난다. 퇴적물의 함량은 평균 입도의 경향을 따라가는데 사질함량은 0~50 cm는 79.6~70.7%, 70~150 cm는 51.2~72.0%이며 170~270 cm는 85.9~92.1%, 270 cm이하에서 부터는 20.8~82.2%의 함량이 나타난다. 실트함량은 구간 별로 7.7~14.5%, 18.0~27.6%, 6.5~11.5%, 13.2~39.9%이며 점토함량은 1.5~5.8%, 9.8~21.0%, 1.2~3.4%, 4.5~39.1%의 값을 가진다. 음파전달속도는 1545~1719 m/s로 사질함량이 높은 퇴적물에서 값이 높으며 음파감쇠는 실트 및 점토함량이 높은 구간에서 0.05~0.68 dB/m/kHz의 값이 나타난다.

Fig. 6.

Profiles of physical (bulk density, porosity, water content, shear strength, mean grain size, and texture) and geoacoustic properties (sound velocity and attenuation) for core P07.

정점 9는 사질 퇴적물과 니질 퇴적물이 균질하게 혼합되어 분포하고 있다(Fig. 4). 공극률은 44.0~59.7%(평균 51.2%)이며 310~330 cm 구간에 57.6~59.7%로 급진적으로 높았다가 다시 낮아지는 경향을 보인다(Fig. 7). 함수율은 24.7~37.5%(평균 29.9%)로 공극률과 같은 구간에서 37.5%로 급진적으로 높아진다. 전밀도는 1.64~1.92 g/cm³(평균 1.81 g/cm³)로 공극률이나 함수율처럼 급변하는 구간은 나타나지 않는다. 전단응력은 4.04~24.43 kPa(평균 10.95 kPa)의 값을 보이며 190~210 cm 구간에 23.5~24.4 kPa의 높은 값이 나타난다. 평균입도는 4.1~6.6 Φ(평균 5.5 Φ)으로 전체적으로 세립한 경향을 보인다. 사질함량은 26.4~65.7%(평균 48.3%)으로 10 cm구간에 26.4%로 가장 낮은 값을 가지며 실트와 점토함량은 21.5~42.0%(평균 29.9%), 12.7~32.3%(평균 21.6%)를 차지한다. 음파전달속도는 1545~1640 m/s로 평균 1586 m/s이나 사질함량이 비교적 높은 190, 270 cm에서 1633, 1640 m/s로 높게 나타난다. 음파감쇠는 0.01~0.66 dB/m/kHz(평균 0.37 dB/m/kHz)의 값을 나타낸다.

Fig. 7.

Profiles of physical (bulk density, porosity, water content, shear strength, mean grain size, and texture) and geoacoustic properties (sound velocity and attenuation) for core P09.

정점 11은 니질 퇴적물이 우세하지만 25~136 cm에서 사질이 수평방향으로 들어있는 층이 존재한다(Fig. 4). 상부 20 cm를 경계로 조직, 물성 및 음향특성에서 뚜렷한 차이가 나타난다(Figs. 4, 8). 20 cm를 기준으로 공극률은 평균 48.7%에서 55.5%로 증가하고, 함수율 또한 평균 28.3%에서 33.8%로 증가한다(Fig. 8). 반면에 전밀도는 큰 차이 없이 1.62~1.83 g/cm³(평균 1.74 g/cm³)의 값을 가진다. 전단응력은 1.70~11.47 kPa(평균 4.29 kPa)의 값을 가지며 285 cm 구간에서 급격하게 증가한다. 평균입도 또한 3.2 Φ에서 4.3~8.6 Φ로 급격히 변하는데 이는 조직함량에서도 나타난다. 사질함량은 상부 20 cm에서 76.5%이며 그 이하에서는 0~62.3%로 낮아진다. 실트함량은 12.5~14.7%에서 23.2~49.4%로 증가하며 점토함량은 또한 7.1~9.1%에서 14.2~57.1%로 증가한다. 음파전달속도는 20 cm에서 1635 m/s이며 그 이하 구간에서는 1528~1594 m/s로 낮아진다. 음파감쇠는 0.14~0.51 dB/m/kHz로 구간별 차이가 나타나지 않는다.

Fig. 8.

Profiles of physical (bulk density, porosity, water content, shear strength, mean grain size, and texture) and geoacoustic properties (sound velocity and attenuation) for core P11.

3.2 물성간 상관관계

3.2.1 음파전달속도 vs 공극률

물성간 상관관계를 살펴보면 음파전달속도가 감소할수록 공극률은 증가하는 경향을 보인다. 속도 값이 1752.7 m/s인 구간에선 공극률이 34.7%를, 1743.4 m/s에서는 36.5%, 1742.1 m/s인 구간에서는 31.8%로 낮은 공극률을 보인다. 속도가 1600~1700 m/s인 구간에서는 공극률이 43.0~49.8%로 1700 m/s 이상의 속도 구간보다 약 10% 이상 증가한다. 155~1600 m/s의 속도 구간에서는 52.6%에서 60.0%까지 공극률 상승이 나타난다.

3.2.2 음파전달속도 vs 평균입도

음파전달속도가 증가 할수록 평균입도도 커지는 경향을 보인다. 속도 값이 1525.3 m/s인 지점에선 평균입도가 7.0 Φ, 1535.9 m/s에서는 6.6 Φ, 1538.2 m/s와 1540.7 m/s에서는 각각 6.7 Φ, 7.2 Φ의 평균입도 값을 가진다. 속도가 증가할수록 평균입도도 증가하는데 1587.8 m/s와 1591 m/s에서는 각각 5.7 Φ와 5.2 Φ를, 1596.3 m/s와 1597 m/s에서는 5.9 Φ와 5.7 Φ의 값을 보인다. 또한 1640.0 m/s에서는 4.7 Φ를, 1661.0 m/s와 1664.5 m/s에서는 각각 4.1 Φ와 4.2 Φ의 값을 가지며 1684.0 m/s에서는 3.7 Φ의 평균입도 값을 나타낸다. 속도 값이 가장 높은 1700 m/s이상인 구간에서도 가장 높은 평균입도 값을 보이는데 1738.8 m/s에서는 2.6 Φ를, 1742.1 m/s와 1752.7 m/s에서는 각각 2.5 Φ와 2.8 Φ의 값을 나타낸다.

Fig. 9.

Correlation between velocity (m/s) and porosity (%). Regression curves from this study and the previous study (Chon [1997]) are plotted with regression equation of this study.

3.2.3 음파전달속도 vs 전밀도

음파전달속도와 전밀도의 관계에서는 음파전달속도가 증가할수록 전밀도도 함께 증가한다. 음파전달속도가 가장 낮은 1525.3 m/s에서 전밀도도 가장 낮은 1.69 g/cm³의 값을 가지며 1535.9 m/s에서는 1.71 g/cm³의 값을 1542.8 m/s와 1549.3 m/s에서 각각 1.73 g/cm³, 1.75 g/cm³의 값을 나타낸다. 또한 1596.3 m/s와 1597 m/s구간에서 각각 1.84 g/cm³와 1,86 g/cm³를, 1605 m/s에서는 1.86 g/cm³의 값을 보이며 1633.5 m/s에서는 1.88 g/cm³의 값을 가진다. 속도 값이 가장 높은 1736.8 m/s와 1738.1 m/s에서 각각 1.99 g/cm³, 2.05 g/cm³의 값을 나타내며 1742.1 m/s와 1743.5 m/s구간에서 2.11 g/cm³와 2.01 g/cm³의 가장 높은 값을 보인다.

3.2.4 전밀도 vs 평균입도

전밀도와 평균입도의 관계는 전밀도가 증가할수록 평균입도도 증가하는 경향을 보인다. 전밀도가 가장 낮은 1.66 g/cm³에서 평균입도는 6.6 Φ를 보이며 1.68 g/cm³에서는 6.5 Φ를, 1.69 g/cm³와 1.71 g/cm³에서는 각각 7.0 Φ와 6.6 Φ의 값을 가진다. 전밀도가 1.74 g/cm³에서는 5.8 Φ, 1.75 g/cm³에서는 5.7 Φ를 1.75 g/cm³와 1.77 g/cm³에서는 각각 5.5 Φ와 5.6 Φ의 값을 보이며 1.86 g/cm³와 1.87 g/cm³에서는 3.9 Φ와 4.3 Φ의 값을 나타내며 1.92 g/cm³에서는 4.4 Φ의 값을 가진다. 전밀도가 높은 구간대에서 2.01 g/cm³의 값은 2.6 Φ의 평균입도 값을 보이며 가장 높은 값인 2.11 g/cm³에서는 2.5 Φ의 가장 높은 평균입도 값을 보인다.

3.2.5 공극률 vs 평균입도

공극률과 평균입도 간의 관계는 공극률이 증가할수록 평균입도는 감소하는 경향을 보인다. 공극률이 낮은 61.7%인 구간은 가장 조립한 2.5 Φ의 값을 가지며 32.3%와 35.6%에서는 2.6 Φ와 3.3 Φ의 값을 보인다. 공극률이 44.3%와 45.3%에서는 4.6 Φ와 4.2 Φ의 값을 46.1%와 47.0%에서는 4.5 Φ와 4.3 Φ의 값을 가진다. 이보다 높은 52.6%와 52.7%에서는 5.3 Φ와 5.8 Φ의 값을, 54.5%와 55.5%에서는 60.6%에서는 6.7 Φ와 6.5 Φ의 가장 낮은 평균입도 값을 보인다.

4. 토 의

4.1 태안반도 남서해역의 지음향 및 물리적 특성

연구지역의 표층 퇴적물의 분포양상을 살펴보면 외연도를 중심으로 남쪽이 북쪽보다 비교적 조립한 양상을 보이며 이에 따라 공극률과 음파전달속도는 남쪽이 더 높은 반면에 공극률은 남쪽에서 더 낮은 양상을 보인다(Fig. 3). Min et al.[1993]에 따르면 연구지역 남쪽에 분포하는 사질 퇴적물은 지난 최대빙하기 이후 해수면이 상승하는 과정 동안 집적된 사질 퇴적물인 것으로 해석하였다. 이와 반대로 연구지역 북쪽의 니질퇴적물은 금강에서 유입된 퇴적물과 가까운 연안의 부유 퇴적물이 강한 조류와 파랑에 의해 이 지역에 집적된 것으로 보인다(Oh and Kum[2001]).

금강에서 다소 떨어진 정점 3은 사질 함량이 82-98%로 전반적으로 조립한 경향을 보인다(Figs. 4, 5). Min et al.[1993]에 따르면 본 연구지역은 최대빙하기(LGM: Last Glacial Maximum) 이후 해수면이 상승하면서 사질퇴적물이 잔류하게 되었으며 북동 방향의 강한 조류로(Hydrographic office[1990]) 인하여 금강에서 유입되는 현생 니질 퇴적물이 적어 전반적으로 사질 퇴적물이 우세하게 분포하고 있는 것으로 나타난다.

금강에서 가장 인접한 정점 7은 Min et al.[1993]과 Oh and Kum[2001]에 따르면 금강에서 유입된 세립질 퇴적물의 영향을 많이 받고 있으며 해침시기에 금강에서 유입된 현생 니질 퇴적물과 잔류 사질퇴적물이 조류의 영향을 받아 교호하게 퇴적되었다고 한다. 정점 7의 코어에서 나타나는 사질-니질사(또는 사질니)-사질 순의 교호한 퇴적층은 연구지역의 이러한 퇴적환경 특성을 잘 반영한다(Figs. 4, 6).

외연도 북쪽에 위치한 정점 9, 11의 퇴적물은 전반적으로 사질니 또는 니질사 퇴적물이 균질하게 퇴적되어 있는데 이는 해침 때 침식을 받고 해수면이 안정된 이후 금강뿐만 아니라 인근연안에서 현생 니질 퇴적물이 유입되고 강한 조류와 생물 교란 등에 인해 사질 퇴적물과 니질 퇴적물이 활발히 혼합된 것으로 사료된다(Min et al.[1993]; Oh and Kum[2001]).

퇴적물의 수심에 따른 물성 변화는 일반적으로 해양퇴적물이 퇴적된 이후 다짐 및 고화작용에 의해 깊이가 깊어질수록 함수율과 공극률이 감소하고 깊이에 따른 전단응력이 증가한다(Mosher et al.[1994]). 그러나 본 연구지역의 경우 깊이에 따라 공극률과 함수율이 크게 변하지 않으며 전단응력 역시 증가하다 작아지는 등 깊이에 따른 변화가 없는 것으로 보아(Figs. 5, 6, 7, 8) 이는 본 연구지역이 퇴적물의 퇴적 이후 속성작용에 의한 영향이 크지 않았던 것으로 생각된다.

Fig. 10.

Correlation between velocity (m/s) and mean grain size (Φ). Regression curves from this study and the previous study (Chon [1997]) are plotted with regression equation of this study.

Fig. 11.

Correlation between velocity (m/s) and wet bulk density (g/cm3). Regression curves from this study and the previous study (Chon [1997]) are plotted with regression equation of this study.

본 연구지역은 남해 sand ridge(Chon[1997])의 퇴적물 조직과 평균입도 분포가 비슷한 양상을 보이나, Chon[1997]이 수행한 남해 지역의 연구결과에는 니질퇴적층의 자료가 포함되어 있어 공극률(31~74%)이 본 연구지역보다 높은 분포를 보인다(Fig. 12). 이와 반대로 습윤 전밀도는 Chon[1997]의 연구결과(니질퇴적물: 1.43~1.74 g/cm³, 사질 퇴적물: 1.97~2.16 g/cm³)보다 높은 값을 보인다(Fig. 13). 퇴적물의 조성이 같을 경우 습윤전밀도는 다짐작용이나 고화작용에 영향을 받으며, 광물의 조성이 유사한 경우 퇴적물의 조직에 의해 일반적으로 세립질보다 조립질 퇴적물에서 높게 나타난다(Shepard et al.[1979]). 그러나 공극률과 전단응력의 관계에서 본 연구지역이 속성작용의 영향을 크게 작용하지 않은 것으로 보아 습윤전밀도의 결과가 Chon[1997]의 값과 다르게 나타나는 이유는 광물조성의 차이에 의한 것으로 사료된다.

Fig. 12.

Correlation between porosity (%) and mean grain size (Φ). Regression curves from this study and the previous study (Chon [1997]) are plotted.

Fig. 13.

Correlation between wet bulk density (g/cm3) and mean grain size (Φ). Regression curves from this study and the previous study (Chon [1997]) are plotted.

음파전달속도는 퇴적물의 공극률과 평균입도 및 조직함량 분포양상을 따라 변화를 보인다. 공극률이 낮고 사질함량이 높은 구간에서는 음파전달속도가 높은 반면에 공극률이 높고 사질함량보다 니질함량이 많은 구간에서는 낮은 음파전달속도 분포를 보인다. 이는 음파전달속도가 공극률과 평균입도 및 조직 분포에 영향을 받는다는 것을 보여준다. 이들 음파전달속도를 Chon[1997]의 연구결과 중 퇴적물 조직이 유사한 결과와 비교해 볼 때 평균적으로 약 20~30 m/s, 최대 70 m/s의 절대 값 차이를 보이는데 이는 각각의 연구에서 이용한 속도측정 시스템의 차이로 해석된다(Fig. 10). 일반적으로 실내 음파전달속도 측정 시스템의 경우 기계적인 차이, 측정주파수 그리고 측정 시 온도 및 시료의 길이 등 다양한 요인이 속도에 영향을 준다. Chon[1997]이 사용한 측정 방법은 사질퇴적물 시료 측정이 용이하도록 고안된 속도측정기(Otronix model: 93M Sediment Sound Velocimeter)로 이는 트랜스듀서(transducer)를 직접 시료에 삽입하여 측정하는 방식으로 시스템부터 측정방식까지 본 연구를 위해 사용한 방법과 뚜렷한 차이점이 있다. 이러한 차이로 인해 음파전달속도가 차이가 나타난 것으로 생각된다. 또한 본 연구 및 Chon[1997]의 결과는 실험실 온도 20 ^oC에서 측정된 음파전달속도 결과이므로 현장에서의 퇴적물 음파전달속도로 활용 시 해저면 수온변화를 고려하여 음파전달속도를 보정할 필용가 있다.

음파감쇠계수의 경우 비교적 사질함량이 높은 구간에서 높은 값을 보이며 정점 7의 경우 공극률이 가장 높은 70, 490 cm구간에서 가장 높은 음파감쇠값이 나타난다. 일반적으로 음파감쇠의 경우 입도의 변화와 직접적인 상관성이 없으며 공극률이 약 60%인 very fine sand에서 가장 높은 음파감쇠값을 보이고 silty clay에서 가장 낮은 감쇠값을 보여주는 것으로 알려져 있다(Hamilton[1970]). 본 연구에서도 이러한 일반적인 경향이 잘 나타나나 정점 11의 경우 평균 공극률이 60%이나 음파감쇠계수 값이 낮은데 이는 퇴적물을 구성하고 있는 사질 퇴적물 함량이 낮기 때문인 것으로 사료된다.

5. 결 론

황해 중동부 해역 해양퇴적물에 대한 퇴적물의 조직 및 물성에 대한 연구결과, 연구해역은 사질 퇴적물이 우세한 가운데 퇴적물 조직의 수평·수직적인 변화는 금강 및 인근 연안에서 공급된 니질 퇴적물의 영향을 받아 결정되었다. 음파전달속도 및 물성의 변화는 퇴적물 조직의 변화 및 입도분포와 전체적으로 잘 일치한다. 잔류사질퇴적물의 영향을 받는 한반도 남해 sand ridge(Chon[1997])와 물성 및 음향 특성 연구 결과와 비교하면 전반적인 경향은 비슷하나 절댓값에서 차이를 보인다. 퇴적물의 음향 및 물성, 입도 상관관계 역시 비교모델들과 절댓값의 차이는 있으나 경향은 유사하다. 이러한 절댓값의 차이는 퇴적물의 조직, 기원에 따른 광물조성, 퇴적환경, 음파전달속도 측정 방식 및 장치의 차이로 인한 결과로 생각된다. 또한 본 연구지역의 지음향 모델을 구축하는데 필요한 물성과 음파전달속도간의 관계식을 제시하고자 한다.

Acknowledgments

이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2015년)에 의하여 연구되었습니다.

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